随钻电磁波电阻率测井在水平井各向异性地层响应特征研究

李 鹏

(中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部，河北 燕郊 065201)

1 引 言

随着水平井钻井数量的日益增加，直接利用水平井电阻率测井资料进行油气评价时，由于仪器响应方式的不同，结果往往存在偏差，给测井解释工作造成影响。水平井测量环境下，各向异性对测井响应的影响开始逐渐受到关注。Ollivier Faivre等[1]利用阵列感应和阵列侧向数据表征了直井中电阻率各向异性特征。Zhao Jiangqing等[2]通过实验方法测试了地层各向异性对测井响应的影响。高伟等[3]总结了电性各向异性对大斜度井和水平井地层测量的影响，并且证明了利用测井曲线的组合响应，能够定性判别地层是否存在各向异性特征，同时地层各向异性让测井定量评价变得更为复杂。在水平井测井解释中，如果地层表现为各向异性，就不能直接将水平井中测量得到的电阻率用于油水识别，需计算出相应的水平电阻率[4]。汪宏年等[5]开展了普通电阻率、双侧向和微球测井在各向异性地层中的响应特征研究，并尝试了利用侧向和微球电阻率测井响应差异，来判别各向异性地层的方法。范宜仁等[6]和胡松等[7]分别考察了大斜度井与水平井中地层各向异性对双感应测井响应的影响，研究了井斜角、电阻率对比度以及地层各向异性等因素对双感应测井的影响规律。夏培等[8]和邓少贵等[9]分别研究了各向异性水平地层与倾斜地层的双侧向测井响应规律，研究结果表明：对于水平地层，双侧向测井响应主要受层理方向上地层电阻率的影响，对于倾斜地层，垂向上的地层电阻率对测井响应影响更大。

针对随钻电磁波电阻率测井仪器在水平井各向异性地层响应特征进行分析，忽略侵入影响，考察厚层下各向异性系数变化对测量曲线的影响情况，并定义曲线分离系数用于表征各向异性程度，在此基础上，结合实测井资料，分析了水平井和直井电阻率存在显著差异原因以及泥岩层出现不同探测深度测量曲线分离现象。上述考察结果和认识为测井解释评价提供了有益的指导。

2 各向异性地层定义及主要类型

2.1 各向异性地层定义

2.2 各向异性地层主要类型

地层各向异性现象普遍存在于砂泥岩薄互层、缝洞型地层、泥页岩地层中。以砂泥岩薄互层为例，当薄互层各个单层的厚度小于测井仪器纵向分辨率时，地层表现为宏观各向异性介质，其宏观地层电导率仅由砂和泥的电导率决定。当含烃地层包含不同粒度的薄互层或包含不同的孔隙分布时，同样表现为电阻率的宏观各向异性。当地层为较细的薄层，且交替出现时，会呈现出更为明显的各向异性。因此，砂岩与泥岩薄层交互存在是产生地层各向异性的重要原因。

地层各向异性类型主要包括以下三类[10]：

1)砂泥岩等不同介质交替出现的薄互层，表现为宏观各向异性；

2)同一介质由于岩石颗粒、渗透率、孔隙结构等不同而表现出各向异性；

3)岩层中薄的电导性或电阻性条带表现出的各向异性。

这三种地层结构分别如图1所示。

图1 各向异性的表现形式

3 层状泥岩/砂岩交互层中电导率间关系

砂泥岩互层普遍存在电性各向异性，如果互层序列较厚，则感应测井电导率与在均匀各向异性地层中得到的电导率均反映地层宏观电导率，如果互层序列较薄，则应进行校正处理以正确判断宏观地层电导率。实践表明，多数泥岩层本身就存在各向异性特征，如果不考虑各项异性规律，根据感应测井得到的地层宏观电阻率会比事实上更大。

若泥岩是各向同性的，则宏观水平电导率σH为

σH=hsdσsd+hshσsh

(1)

宏观垂向电导率σV为

σV=(hsd/σsd+hsh/σsh)-1

(2)

用电阻率表示为

RV=hsdRsd+hshRsh

(3)

通常泥岩是各向异性的，那么宏观水平电导率σH为

σH=hsdσsd+hshσsh,H

(4)

宏观垂向电导率σV为

σV=(hsd/σsd+hsh/σsh,V)-1

(5)

用电阻率表示为

RV=hsdRsd+hshRsh,V

(6)

同时砂泥岩含量满足

hsd+hsh=1

(7)

上述各式中，hsd表示砂岩含量;hsh表示泥岩含量;σsd表示砂岩电导率;σsh表示泥岩电导率;σsh,H表示泥岩水平电导率;σsh,V表示泥岩垂向电导率，Rsh表示泥岩电阻率，Rsh,V表示泥岩垂向电阻率。

感应测井与侧向测井在均匀各向异性地层中得到的是：Rlog=RH/β。

4 各向异性系数对仪器响应特征影响考察

通过正演考察，可以模拟ADR675仪器在水平井中不同各向异性系数的电阻率测井响应规律。地层模型采用三层水平井地层，移动井眼与仪器使之穿过层界面，考察仪器在不同深度点的响应规律。模型中间层厚设定为4.0 m，且无泥浆侵入，中间目的层水平电阻率RH为10.0 Ω·m，泥浆电阻率为0.1 Ω·m，井径为8.5 in，各向异性系数在1至3之间变化。地层模型及参数图2所示。

图2 水平井各向异性地层模型

图3是带方位的相位差电阻率模拟结果，从模拟结果可知：随着各向异性系数增大，方位相位差电阻率增大；在层界面处出现极化角，从低阻进入高阻的极化角小于从高阻进入低阻的极化角，说明极化现象和地层背景电阻率相关；长源距极化角大于短源距极化角。图3～图6中，横坐标是深度(模型的测井深度)，纵坐标是仪器响应值(仪器的电阻率测量值Ra)。

图3 水平井各向异性地层模型方位电阻率正演仿真结果(相位差电阻率)

图4是带方位的幅度比电阻率模拟结果，从模拟结果可知，随着各向异性系数增大，方位幅度比电阻率增大；与方位相位差电阻率相同，在层界面处出现极化角，从低阻进入高阻的极化角小于从高阻进入低阻的极化角；长源距极化角大于短源距极化角。和方位相位差相比，方位幅度比电阻率极化角更明显，且方位幅度电阻率随各向异性系数增大分离程度比方向相位差电阻率分离程度小。

图4 水平井各向异性地层模型方位电阻率正演仿真结果(幅度比电阻率)

通过平均相位差电阻率(图5)和平均方位幅度比电阻率(图6)对比结果可知：在各向异性地层环境下，相位差电阻率更接近地层垂直电阻率，幅度比电阻率更接近地层水平电阻率；随着各向异性系数增大，相位差电阻率曲线分离程度比幅度比电阻率曲线分离程度更大；在层界面处，幅度比电阻率极化犄角现象比相位差极化犄角明显。长源距的相位差电阻率和幅度比电阻率受井眼影响更小，可也用长源距幅度比电阻率ARH48A与长源距相位差电阻率ARH48P的差值来指示曲线分离程度Sapll，根据分离程度，统计其和各向异性系数间关系，为反演各向异性系数初值选取提供指导。

图5 水平井各向异性地层模型平均电阻率正演仿真结果(相位差电阻率)

图6 水平井各向异性地层模型平均电阻率正演仿真结果(幅度比电阻率)

(8)

通过正演模型仿真，研究水平井下地层各向异性对仪器响应分离影响，模型参数为三层水平井地层模型，中间目的层水平电阻率变化范围10.0～20.0 Ω·m，垂直电阻率变化范围RV/RH：2～25，围岩电阻率Rs=6.0 Ω·m，无泥浆侵入，井眼直径D=8.5 in，泥浆电阻率Rm=0.1 Ω·m，中间目的层厚4 m。

由图7模拟结果可以看出，曲线分离程度值随各向异性系数增大而减小(分离程度绝对值随各向异性系数增大而增大)，且分离程度值均小于0(即幅度比电阻率小于相位差电阻率)，曲线分离程度与背景电阻率基本成线性关系，与各向异性系数成非线性关系变化。

图7 水平井曲线分离程度随各向异性系数变化规律

5 各向异性应用实例与分析

图8是随钻电磁波ADR仪器在各向异性地层中的测井响应曲线，图9是随钻电磁波ARC仪器在各向异性地层中的测井响应曲线。通过水平井和探井(直井)测量随钻视电阻率对比，探井视电阻率在10.0～40.0 Ω·m之间，水平井视电阻率在90.0～200.0 Ω·m之间，可以判断出探井油层电阻率远远低于水平井油层视电阻率，可见地层各向异性对视电阻率测量存在重要影响。

图8 各向异性对ADR测井仪器影响实例

图9 各向异性对ARC测井仪器影响实例

图10是随钻电磁波MPR仪器在泥岩段的测井响应。泥岩的压实和脱水过程会在泥岩里面产生黏土小板块，靠近这些黏土小板块的黏土表面的补偿离子具有可移动性，这就导致了在它平面的方向具有更高的导电性，产生各向异性，引起不同探测深度的电阻率分离。

图10 各向异性对MPR测井仪器影响实例

6 结 论

通过对模型进行仿真考察，得出以下结论：

1)仪器在直井和水平井环境下响应方式不同，直接利用水平井测量的电阻率曲线进行测井解释得到的结果往往存在偏差。

2)随着地层各向异性系数增大，方位相位差电阻率随之增大；地层边缘出现极化角现象，从低阻地层进入高阻地层的极化角小于从高阻地层进入低阻地层的极化角，说明极化现象与地层背景电阻率相关；长源距极化角大于短源距极化角。同方位相位差相比，方位幅度比电阻率极化角更明显，且方位幅度电阻率随各向异性系数增大分离程度比方位相位差电阻率分离程度小。

3)对于各向异性地层，平均相位差电阻率更接近地层垂直电阻率，平均幅度比电阻率更接近地层水平电阻率；随着各向异性系数增大，平均相位差电阻率曲线分离程度比平均幅度比电阻率曲线分离程度更大；在层界面处，平均幅度比电阻率极化犄角现象比平均相位差电阻率极化犄角更明显。

4)由实测井资料分析可知，泥岩往往表现为各向异性，在泥岩层出现曲线分离现象，且各向异性地层会导致探井油层电阻率远远低于水平井油层测量的视电阻率。